FR3110969A1 - Banc de mesure des proprietes thermophysiques d’un echantillon de materiau - Google Patents
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Abstract
L’invention porte sur un banc de mesure (100) des propriétés thermophysiques d’un échantillon de matériau logé dans un porte-échantillon (4), le banc de mesure (100) comprenant un support (5) sur lequel sont agencés un premier (1) et un deuxième (2) poste. Le premier poste (1) comprend : une première (11a) et une deuxième sphère intégrante (11b), la deuxième sphère (11b) étant séparée de la première sphère (11a) de sorte à pouvoir placer le porte échantillon (4) entre les deux sphères (11a,11b); une source d’un flux thermique (10); une pluralité de détecteurs thermiques disposés sur la surface interne de la première (11a) et de la deuxième sphère intégrante (11b). Le deuxième poste de mesure (2) comprend : une paroi chaude (20a) et une paroi froide (20b), chacune munie d’un capteur de température, définissant deux parois opposées d’un logement configuré pour recevoir le porte échantillon (4). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1
Description
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un banc de mesure des propriétés thermophysiques d’un échantillon de matériau. Elle trouve une application dans le domaine de la caractérisation des matériaux de construction.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
La connaissance des propriétés thermophysiques d’un matériau de construction est essentielle pour proposer des solutions qui adaptent le confort et la sécurité de l’homme à son environnement. Toutefois les nouveaux matériaux qui sont développés dans la poursuite de ce but, tels que les matériaux translucides, sont difficiles à caractériser. Les dispositifs de mesure existants ne prenant généralement pas en compte certains phénomènes complexes liés à la nature de ces matériaux. Par ailleurs ces dispositifs peuvent être très onéreux.
Il serait généralement souhaitable de disposer d’un dispositif de mesure simple, permettant de caractériser la conductivité thermique, la réflectance, la transmittance ainsi que l’absorptance d’un échantillon de matériau, afin notamment de déterminer s’il présente des propriétés adaptées à un milieu environnant.
On connait du document EP2533032 un dispositif de mesure à base de deux sphères intégrantes permettant de mesurer la réflectance et la transmittance d’un matériau translucide se déplaçant entre les deux sphères. Néanmoins, ce dispositif de mesure ne permet pas d’obtenir le coefficient de conductivité thermique ainsi que l’absorptance du matériau.
On connait également d’autres dispositifs de mesure à base de sphères intégrantes des documents CN101261218, CN1015526465, CN104677845, CN109444088 mais aucun de ces dispositifs ne permet d’obtenir les quatre variables thermophysiques souhaitées.
OBJET DE L’INVENTION
Un but de l’invention est de proposer un banc de mesure permettant de facilement et rapidement mesurer la réflectance, la transmittance, l’absorptance et le coefficient de conductivité thermique d’un matériau, et notamment d’un matériau de construction.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, l’objet de l’invention propose un banc de mesure des propriétés thermophysiques d’un échantillon de matériau logé dans un porte-échantillon tubulaire, le banc de mesure comprenant un support sur lequel sont agencés un premier et un deuxième poste, le premier poste comprenant :
- une première sphère intégrante munie d’une ouverture principale et d’une première ouverture de liaison disposées le long d’un axe de visée ;
- une deuxième sphère intégrante munie d’une seconde ouverture de liaison dans l’axe de visée, la deuxième sphère étant séparée de la première sphère de sorte à pouvoir placer le porte échantillon entre la première et la seconde ouverture de liaison et ainsi placer l’échantillon dans l’axe de visée ;
- une source d’un flux thermique disposée en vis-à-vis de l’ouverture principale de la première sphère pour projeter le flux thermique le long de l’axe de visée sur l’échantillon ;
- une pluralité de détecteurs thermiques disposés sur la surface interne de la première et de la deuxième sphère intégrante pour mesurer dans la première sphère intégrante une portion réfléchie par l’échantillon du flux thermique et pour mesurer dans la deuxième sphère une portion transmise par l’échantillon du flux thermique ;
le deuxième poste de mesure comprenant :
- une paroi chaude et une paroi froide définissant deux parois opposées d’un logement configuré pour recevoir le porte-échantillon et générer un flux thermique à travers l’échantillon;
- deux capteurs de température respectivement disposés sur les parois chaude et froide du logement.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le banc de mesure comprend :
- un premier détecteur thermique disposé sur la surface interne de la première sphère pour mesurer un flux réfléchi par l’échantillon;
- un deuxième détecteur thermique disposé sur la surface interne de la deuxième sphère pour mesurer un flux de transmittance diffus ;
- un troisième détecteur thermique disposé sur la surface interne de la deuxième sphère dans l’axe de visée pour mesurer un flux de transmittance cohérent ;
- les détecteurs thermiques sont des photodiodes ;
- la source de flux thermique est une source lumineuse monochromatique ;
- la source lumineuse monochromatique est un laser rouge présentant une puissance supérieure à 100mW ;
- la première et la deuxième sphère intégrante présentent un diamètre supérieur à 20 cm ;
- au moins une sphère est mobile afin de pouvoir écarter ou rapprocher la première sphère et la deuxième sphère l’une de l’autre et faciliter le positionnement du porte-échantillon ;
- la paroi chaude et la paroi froide sont respectivement constituées d’une surface exposée de deux plaques de Peltier.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Présentation général
e
du banc de mesure
La figure 1 représente un banc de mesure 100 conforme à l’invention permettant de caractériser la conductivité thermique, la réflectance, la transmittance ainsi que l’absorptance d’un échantillon 3 de matériau.
Le banc de mesure 100 comprend un support 5 sur lequel sont agencés deux postes de mesure 1,2. Avantageusement, le support 5 est constitué d’un matériau à faible réflectance, tel que du bois, pour éviter d’ajouter des perturbations extérieures sur les postes de mesures 1,2. Le premier poste 1 permet de mesurer la réflectance, la transmittance ainsi que l’absorptance de l’échantillon 3 tandis que le deuxième poste 2 permet de mesurer la conductivité thermique de l’échantillon 3.
L’échantillon 3 de matériau est logé dans un porte-échantillon 4 tubulaire afin de pouvoir le manipuler et le déplacer rapidement et facilement entre les deux postes de mesure 1,2. L’échantillon 3 se présente généralement sous la forme d’un cylindre plein ayant une hauteur comprise entre 0,1 et 20 cm et un diamètre de plusieurs centimètres, par exemple compris entre 3 et 5 cm et préférentiellement standardisé à 4cm, suffisamment large pour permettre la mesure de sa conductivité thermique avec la précision requise. L’échantillon 3 peut être de nature très variée, il peut s’agir par exemple de matériaux translucides, de matériaux minces réfléchissants, de matériaux à changement de phase ou de matériaux moins complexes tels que du bois, une vitre, un métal, etc. Le matériau peut se présenter sous forme solide ou liquide en adaptant en conséquence le porte échantillon 4.
Le porte échantillon 4 présente préférentiellement une forme de cylindre creux ayant un diamètre interne sensiblement égal à celui de l’échantillon 3. Le porte échantillon 4 peut avantageusement être formé d’un matériau aux propriétés déformable et/ou élastique afin de pouvoir s’adapter au diamètre de l’échantillon 3. La hauteur du porte-échantillon 4 est choisie inférieure à celle de l’échantillon 3 de sorte que ce dernier puisse dépasser de part et d’autre du porte-échantillon 4 comme cela est visible sur la figure 2.
Lorsque l’échantillon 3 est sous forme liquide, le porte échantillon 4 peut prendre la forme d’un cylindre fermé par des parois minces et transparentes. On prendra alors en compte la présence de ces parois et on adaptera les modèles physiques employés pour exploiter les mesures réalisées sur un banc conforme à l’invention pour obtenir les propriétés thermophysiques de l’échantillon 3 liquide.
Description détaillée du premier poste de mesure
La figure 3 représente une vue schématique d’un premier poste de mesure conforme à l’invention. Ce premier poste de mesure comprend une source 10 d’un flux thermique, deux sphères intégrantes 11a,11b, espacées l’une de l’autre, ainsi qu’une pluralité de détecteurs thermiques 15a,15b,15c.
Par le terme « sphère intégrante » (aussi connu sous le nom de sphère d’intégration ou sphère d’Ulbricht), on désigne un composant optique consistant en une cavité creuse dont l’intérieur est revêtu d’un matériau possédant un facteur de réflexion diffuse élevé pour conférer à la surface interne des propriétés de surface Lambertienne.
Ici la surface des sphères est avantageusement recouverte d’un matériau blanc mat, tel que de l’oxyde de magnésium (MgO), du sulfate de baryum (BaSO4), du Spectralon® ou du Spectraflex®.
Le matériau composant les sphères 11a,11b peut être de toute nature. Si le matériau choisi est transparent, il peut être nécessaire de recouvrir la surface externe des sphères 11a,11b d’un matériau noir mat pour éviter que des flux externes au banc de mesure, puissent pénétrer dans l’enceinte des sphères et perturber les mesures.
On notera qu’il est avantageux d’appliquer le même traitement à la surface interne et externe du porte-échantillon 4 pour améliorer la précision des mesures.
La première sphère intégrante 11a est munie d’une ouverture principale 12 et chaque sphère 11a,11b est respectivement munie d’une première et seconde ouverture de liaison 13a,13b. Les ouvertures de liaison 13a,13b ainsi que l’ouverture principale 12 sont disposées le long d’un axe de visée A.
Les deux sphères 11a,11b sont séparées l’une de l’autre de manière à pouvoir placer le porte échantillon 4 entre la première et la seconde ouverture de liaison 13a,13b et ainsi disposer l’échantillon 3 dans l’axe de visée A. Le porte échantillon 4 est assemblé aux deux sphères 11a,11b en insérant respectivement les parties saillantes de l’échantillon 3, dépassant de chaque extrémité du porte-échantillon 4, dans les deux ouvertures de liaison 13a,13b. Cet assemblage permet ainsi de placer l’échantillon 3 pour qu’il affleure à la surface interne de chaque sphère intégrante 11a,11b. Avantageusement, les sphères 11a,11b peuvent comprendre sur leur surface extérieure un élément de support (non représenté sur les figures), tel qu’une butée, pour soutenir le porte échantillon 4 lorsque les parties saillantes de l’échantillon 3 sont insérées dans les ouvertures de liaison 13a,13b. De manière également avantageuse, l’élément de support peut prendre la forme d’un cylindre disposé autour de chaque ouverture de liaison 13a,13b. Ce cylindre possède un diamètre interne ajusté au diamètre externe du porte-échantillon 4 pour pouvoir l’accueillir et permettre ainsi de renforcer son assemblage aux sphères 12a,12b.
Les ouvertures de liaison 13a,13b ont sensiblement le même diamètre que celui de l’échantillon 3 afin que les sphères soient bien refermées lorsque l’échantillon est dans la position de mesure. Le diamètre de l’ouverture principale 12 est compris entre 5 à 50 mm, préférentiellement égale au diamètre du flux de la source 10 soit typiquement de l’ordre de 20 mm pour un laser, pour laisser traverser uniquement le flux lumineux issu de la source 10 à travers la première sphère 11a. Les sphères 11a,11b ont avantageusement un diamètre supérieur à 20 cm pour s’adapter aux dimensions de l’échantillon 3, les ouvertures de liaison 13a,13b et l’ouverture principale 12 devant avoir des dimensions faibles par rapport au diamètre des sphères 11a,11b.
La source du flux thermique 10 est disposée en vis-à-vis de l’ouverture principale 12 de la première sphère 11a pour projeter le flux thermique le long de l’axe de visée A à travers l’échantillon 3. Préférentiellement, la source de flux thermique 10 est une source lumineuse monochromatique 10 pour limiter les phénomènes de dispersion. Avantageusement on choisira un laser 10 rouge à 650nm avec une puissance supérieure à 100mW afin d’assurer la bonne propagation du flux à travers l’échantillon 3 et les deux sphères 11a,11b et n’avoir qu’un seul et unique faisceau lumineux qui subira les transformations optiques.
Afin de permettre le bon alignement entre les différentes ouvertures 12,13a,13b et le laser 10, ces éléments peuvent être disposés sur des supports de maintien 14 ajustables en position. Optionnellement, au moins l’un des supports de maintien 14 supportant une sphère est mobile par rapport au support 5 du banc de mesure 100 afin de pouvoir écarter ou rapprocher la première sphère 11a et la deuxième sphère 11b l’une de l’autre et faciliter le positionnement du porte-échantillon 4 dans la position de mesure. Ce support de maintien 14 mobile peut par exemple être disposé sur un rail fixé au support 5.
Les détecteurs thermiques 15a,15b,15c sont disposés sur la surface interne de la première 11a et de la deuxième sphère intégrante 11b pour mesurer dans la première sphère intégrante 11a une portion réfléchie, par l’échantillon 3, du flux thermique et pour mesurer dans la deuxième sphère 11b une portion transmise, par l’échantillon 3, du flux thermique. Ces détecteurs thermiques 15a,15b,15c sont reliés à une carte d’acquisition d’une unité centrale (non représenté sur les figures) par une liaison filaire ou non filaire. Cette unité centrale permet de respectivement calculer, en appliquant des modèles physiques connus en soi, les valeurs de réflectance et de transmittance à partir de la mesure de la portion du flux réfléchi et de celle du flux transmis. Connaissant les valeurs de transmittance et de réflectance de l’échantillon 3, l’unité centrale peut alors en déduire la valeur d’absorbance en appliquant la loi de la conservation de l’énergie.
La première sphère 11a comprend avantageusement un seul détecteur thermique 15a tandis que la deuxième sphère est munie de deux détecteurs thermiques 15b,15c.
Un premier détecteur thermique 15a est disposé sur la surface interne de la première sphère intégrante 11a pour mesurer un flux réfléchi par l’échantillon 3. De manière avantageuse, ce premier détecteur 15a est disposé perpendiculairement à l’axe de visée A passant par le centre de la première sphère 11a.
Un deuxième détecteur thermique 15b est disposé de manière similaire au premier sur la surface interne de la deuxième sphère intégrante 11b, soit perpendiculairement à l’axe de visée A passant par le centre de la deuxième sphère 11b, pour mesurer un flux de transmittance diffus.
Un troisième détecteur thermique 15c est disposé sur la surface interne de la deuxième sphère 11b dans l’axe de visée A pour mesurer un flux de transmittance cohérent.
Préférentiellement, les détecteurs thermiques 15a,15b,15c employés sont des photodiodes silicium, préalablement étalonnées avec un fluxmètre de référence de manière à fournir une valeur fidèle du flux thermique détecté.
Ces photodiodes 15a,15b,15c présentent l’avantage de posséder des dimensions très faibles (de l’ordre de quelque millimètre de côté) ce qui permet de disposer leur surface photosensible sur la surface interne des sphères 11a,11b, par exemple dans une ouverture formée à la surface de la sphère, sans impacter l’influence de la forme curviligne sur les propriétés Lambertienne de la surface interne. Ces photodiodes 15a,15b,15c présentent aussi l’avantage d’être très peu onéreuses par rapport aux détecteurs thermiques usuellement employés.
Description détaillée du deuxième poste
Le deuxième poste de mesure 2 comprend une paroi chaude 20a et une paroi froide 20b ainsi que deux capteurs de température (non représenté sur les figures) respectivement disposés sur ces parois.
La paroi chaude 20a et la paroi froide 20b définissent deux parois 20a,20b opposées d’un logement configuré pour recevoir le porte échantillon 4 et générer un flux thermique à travers l’échantillon 3. Les parois complémentaires du logement sont préférentiellement formées d’un isolant thermique tel que du polystyrène. Avantageusement, l’une au moins des parois du logement est mobile afin de pouvoir faciliter le positionnement du porte-échantillon 4 dans le logement.
Dans le mode de réalisation illustrée sur la figure 1, une des parois 20a,20b est solidaire du support 5. Une pièce en un matériau isolant est placée sur cette paroi, et présente une ouverture dans laquelle le porte échantillon peut être placé de sorte à placer une face exposée de l’échantillon en contact avec la paroi solidaire du support. L’autre paroi 20a, 20b, mobile, peut être disposé sur la face exposée de l’échantillon pour enfermer et prendre en sandwich cet échantillon pendant la mesure.
Afin de réaliser la mesure du coefficient de transmission thermique il est important, lorsque le porte échantillon 4 est convenablement placé dans le logement, que les surfaces de l’échantillon 3 soient entièrement en contact avec les parois chaudes et froides 20a,20b. Par conséquent, celles-ci présentent une surface supérieure ou égale à celles exposées de l’échantillon 3 dans le porte-échantillon.
Les capteurs de température, tout comme les détecteurs thermiques, sont reliés à une unité centrale pour calculer, à partir de leurs mesures, le coefficient de conductivité thermique de l’échantillon 3. Les capteurs de température sont avantageusement des thermocouples calibrés. La paroi chaude et la paroi froide peuvent être respectivement constituées d’une surface exposée de deux plaques de Peltier reliées à une source d’énergie électrique 21.
On peut munir la paroi opposée de la plaque de Peltier fournissant la paroi froide du logement d’un dissipateur thermique, de manière à former un gradient de transfert thermique le plus uniforme possible.
On dispose ainsi d’un banc de mesure complet, capable de caractériser la conductivité thermique, la réflectance, la transmittance ainsi que l’absorptance de l’échantillon 3 en déplaçant simplement le porte échantillon entre les deux postes, sans avoir à sortir l’échantillon du porte-échantillon.
Si l’on possède deux échantillons d’un même matériau, il est alors possible de mesurer simultanément ces quatre propriétés en disposant un porte-échantillon dans chacun des deux postes.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
Claims (8)
- Banc de mesure (100) des propriétés thermophysiques d’un échantillon (3) de matériau logé dans un porte-échantillon tubulaire (4), le banc de mesure (100) comprenant un support (5) sur lequel sont agencés un premier (1) et un deuxième (2) poste, le premier poste (1) comprenant :
- une première sphère intégrante (11a) munie d’une ouverture principale (12) et d’une première ouverture de liaison (13a) disposées le long d’un axe de visée (A) ;
- une deuxième sphère intégrante (11b) munie d’une seconde ouverture de liaison (13b) dans l’axe de visée (A), la deuxième sphère (11b) étant séparée de la première sphère (11a) de sorte à pouvoir placer le porte échantillon (4) entre la première (13a) et la seconde ouverture (13b) de liaison et ainsi placer l’échantillon (3) dans l’axe de visée (A);
- une source d’un flux thermique (10) disposée en vis-à-vis de l’ouverture principale (12) de la première sphère (11a) pour projeter le flux thermique le long de l’axe de visée (A) sur l’échantillon (3) ;
- une pluralité de détecteurs thermiques (15a,15b,15c) disposés sur la surface interne de la première (11a) et de la deuxième sphère intégrante (11b) pour mesurer dans la première sphère intégrante (11a) une portion réfléchie par l’échantillon (3) du flux thermique et pour mesurer dans la deuxième sphère (11b) une portion transmise par l’échantillon (3) du flux thermique ;
le deuxième poste de mesure (2) comprenant :
- une paroi chaude (20a) et une paroi froide (20b) définissant deux parois opposées d’un logement configuré pour recevoir le porte-échantillon (4) et générer un flux thermique à travers l’échantillon (3) ;
- deux capteurs de température respectivement disposés sur les parois chaude (20a) et froide (20b) du logement. - Banc de mesure (100) selon la revendication précédente comprenant :
- un premier détecteur thermique (15a) disposé sur la surface interne de la première sphère (11a) pour mesurer un flux réfléchi par l’échantillon (3) ;
- un deuxième détecteur thermique (15b) disposé sur la surface interne de la deuxième sphère (11b) pour mesurer un flux de transmittance diffus ;
- un troisième détecteur thermique (15c) disposé sur la surface interne de la deuxième sphère (11b) dans l’axe de visée (A) pour mesurer un flux de transmittance cohérent. - Banc de mesure (100) selon l’une des revendications précédentes dans lequel les détecteurs thermiques (15a,15b,15c) sont des photodiodes.
- Banc de mesure (100) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la source de flux thermique (10) est une source lumineuse monochromatique.
- Banc de mesure (100) selon la revendication précédente dans lequel la source lumineuse monochromatique (10) est un laser rouge présentant une puissance supérieure à 100mW.
- Banc de mesure (100) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première (11a) et la deuxième sphère intégrante (11b) présentent un diamètre supérieur à 20 cm.
- Banc de mesure (100) selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une sphère est mobile afin de pouvoir écarter ou rapprocher la première sphère (11a) et la deuxième sphère (11b) l’une de l’autre et faciliter le positionnement du porte-échantillon (4).
- Banc de mesure (100) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la paroi chaude (20a) et la paroi froide (20b) sont respectivement constituées d’une surface exposée de deux plaques de Peltier.
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Citations (5)
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| CN101261218A (zh) | 2008-04-15 | 2008-09-10 | 浙江理工大学 | 基于双积分球的纺织品光学性能参数测试仪 |
| CN101526465A (zh) | 2009-04-22 | 2009-09-09 | 天津大学 | 快速多波长组织光学参数测量装置及反构方法 |
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-
2020
- 2020-05-29 FR FR2005688A patent/FR3110969B1/fr active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101261218A (zh) | 2008-04-15 | 2008-09-10 | 浙江理工大学 | 基于双积分球的纺织品光学性能参数测试仪 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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